專利名稱：線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波和料位測(cè)試技術(shù)，特別是一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀及其測(cè)量方法。
已有技術(shù)中用以實(shí)時(shí)料位測(cè)量的技術(shù)有音叉、重錘、γ射線和超聲波等，采用這些技術(shù)手段的料位儀各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，它們的比較情況見下表1。
表1四種料位儀的情況比較
從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在高溫高壓的惡劣工業(yè)環(huán)境下，僅有γ射線料位儀才能正常工作，但是γ射線料位儀僅僅能作為限位開關(guān)使用，無法進(jìn)行料位的連續(xù)測(cè)量，并且γ射線可能對(duì)人體產(chǎn)生危害，現(xiàn)場(chǎng)操作人員有抵制使用γ射線料位儀的傾向。
90年代初，德國(guó)的Endress+Hausar公司成功地研制了世界第一臺(tái)工業(yè)控制級(jí)的雷達(dá)料位儀，解決了高溫高壓工業(yè)環(huán)境下的料位測(cè)量。繼德國(guó)的E+H公司后，瑞典的SAAB公司也于同期成功地完成了控制級(jí)的雷達(dá)料位儀。有專利WO90/12292(Device for Level Gauging with Microwaves)提供的雷達(dá)料位儀是通過測(cè)量微波從發(fā)射到返回的時(shí)間來測(cè)量料位的，這是典型的雷達(dá)測(cè)量原理，由此構(gòu)成的料位儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜而龐大。專利WO 95/08780(Level Measurement Process Based onthe Radar Principle)提供一種雷達(dá)料位儀是通過測(cè)量從被測(cè)料位面返回的微波幅度來確定料位的?；谶@種測(cè)量方法所構(gòu)成的料位儀測(cè)量精度不高，而且重復(fù)性不好，這是因?yàn)橛绊懳⒉ǚ鹊囊蛩睾芏?，若要保證該料位儀的測(cè)量精度，又帶來結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本高等一系列的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)時(shí)高精度測(cè)量料位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且價(jià)格低廉，受外界影響小，重復(fù)性好和維修方便的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀及其測(cè)量方法。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案完成本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，包括微波分系統(tǒng)12和信號(hào)處理分系統(tǒng)13。具體的結(jié)構(gòu)為微波分系統(tǒng)12中，含有帶調(diào)頻器1的微波源2連接到環(huán)形器3上，環(huán)形器3連接有發(fā)射天線4，同時(shí)環(huán)形器3的輸出連接到混頻/中放器5上。信號(hào)處理分系統(tǒng)13中含有濾波器7，濾波器7的輸出經(jīng)過程控放大器8連接到CPU處理電路9，CPU處理電路9連有人機(jī)接口界面的鍵盤11和顯示器10。微波分系統(tǒng)12中的混頻/中放器5經(jīng)過同軸電纜6與信號(hào)處理分系統(tǒng)13中的濾波器7相聯(lián)。也就是說，兩個(gè)分系統(tǒng)微波分系統(tǒng)12和信號(hào)處理分系統(tǒng)13是由一根同軸電纜6聯(lián)系起來。如圖1所示。
上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中如圖1所示。經(jīng)過調(diào)頻器1線性調(diào)頻的微波源2發(fā)射出的線性調(diào)頻連續(xù)的微波經(jīng)由環(huán)形器3后由發(fā)射天線4向目標(biāo)發(fā)射，從目標(biāo)發(fā)射回來的信號(hào)經(jīng)由發(fā)射天線4接收，再經(jīng)由環(huán)形器3輸送到混頻/中放器5中同發(fā)射信號(hào)形成包含目標(biāo)距離R信息的差頻fr信號(hào)，再經(jīng)由濾波器7處理，然后經(jīng)CPU處理電路9控制的程控放大器8對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大，最后進(jìn)入CPU處理電路9。操作人員通過人機(jī)接口界面的鍵盤11進(jìn)行操作，再由顯示器10顯示出測(cè)得目標(biāo)距離R的信息即為料位。
上述的微波分系統(tǒng)12是裝入專門設(shè)計(jì)的機(jī)箱里；發(fā)射天線4直接裝在微波分系統(tǒng)12上；信號(hào)處理分系統(tǒng)13以及其中的鍵盤11、顯示器10界面裝在同一機(jī)箱殼體上；微波分系統(tǒng)12通過同軸電纜6與信號(hào)處理分系統(tǒng)13相連。構(gòu)成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用的料位儀。如圖4所示。
本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀的測(cè)量方法是首先測(cè)量包含目標(biāo)距離R的目標(biāo)回波信號(hào)ERF與本振信號(hào)ELO，得出兩者之間的差頻fr，再根據(jù)目標(biāo)距離R與差頻fr兩者之間的關(guān)系式求得目標(biāo)距離R。
如圖2所示在t1時(shí)刻，由微波源2發(fā)射頻率為f0的射頻發(fā)射信號(hào)ERF從發(fā)射天線4發(fā)射出去，被距離為R處的目標(biāo)反射后，經(jīng)時(shí)間τ＝2R/C(C是光速)延遲，ERF于t2時(shí)刻被發(fā)射天線4接收，由于調(diào)頻器1的線性調(diào)制，t2時(shí)刻微波源2產(chǎn)生的微波信號(hào)ELO耦合至混頻/中放器5作為本振信號(hào)，與目標(biāo)回波信號(hào)ERF混頻，取混頻產(chǎn)生的中頻信號(hào)EIF二次項(xiàng)的下邊帶信號(hào)，即目標(biāo)回波信號(hào)ERF和本振信號(hào)ELO之間的差頻fr。差頻fr包含了目標(biāo)距離R的信息，則差頻fr與目標(biāo)距離R兩者的關(guān)系式為fr＝(2R/C)(Δf/Δt)式中C是光速，Δt為調(diào)制周期，Δf為在Δt時(shí)間內(nèi)，頻率變化的寬度。
所以，只要通過CPU處理電路9分析從混頻/中放器5輸出的的中頻信號(hào)EIF，就可以測(cè)量出目標(biāo)差頻fr，然后根據(jù)上式，就能得出目標(biāo)距離R即是料位。
具體測(cè)量的步驟是<1>數(shù)據(jù)采集包括采集如上述過程測(cè)得的包含目標(biāo)距離R的目標(biāo)回波信號(hào)ERF和本振信號(hào)ELO的數(shù)據(jù)；<2>數(shù)據(jù)濾波包括對(duì)數(shù)據(jù)的濾波和平滑處理；<3>得出差頻fr即計(jì)算出目標(biāo)回波信號(hào)ERF與本振信號(hào)ELO兩者之間的頻率之差稱之為差頻fr；<4>求得目標(biāo)距離R按關(guān)系式fr＝(2R/C)(Δf/Δt)得到目標(biāo)距離R，在顯示器(10)的屏幕上示出，即為料位。
上述具體測(cè)量步驟如圖3的流程圖所示。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀如上所述的結(jié)構(gòu)，它是通過測(cè)量帶有料位信息的微波頻率來確定料位的。所以它的結(jié)構(gòu)比已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受外界的影響小，實(shí)現(xiàn)容易，而且測(cè)量精度高，重復(fù)性好，維修方便。
2.本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀的測(cè)量方法如上所述是通過測(cè)量包含目標(biāo)距離R的料位信息的微波頻率來確定料位。所以測(cè)量步驟簡(jiǎn)捷，可靠，受外界影響小，操作起來方便，能夠?qū)崟r(shí)高精度地測(cè)量料位。
3.綜上所述的本發(fā)明料位儀的結(jié)構(gòu)及其測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，它適用于冶金行業(yè)、石化行業(yè)、糧食儲(chǔ)倉(cāng)、建材行業(yè)等，特別對(duì)高溫高壓，多粉塵的水泥料位測(cè)量，具有其它種類料位儀無法比擬的優(yōu)勢(shì)。
4.本發(fā)明的料位儀由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此價(jià)格也比已有技術(shù)的便宜，是已有技術(shù)同類料位儀價(jià)格的1/10，節(jié)約了大量的資金。同時(shí)測(cè)量方法簡(jiǎn)捷，可以實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量，又可以節(jié)約人力和能源。
圖1為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明料位儀測(cè)量過程的示意圖。
圖3為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀的測(cè)量方法的流程圖。
圖4為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀的整機(jī)在使用狀態(tài)下的示意圖。
圖5為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀在實(shí)施例中所采用帶通濾波器的濾波器7的電路示意圖。
圖6為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀在實(shí)施例中所采用的程控放大器8的電路示意圖。
圖7為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀在實(shí)施例中CPU處理電路9中的數(shù)據(jù)采集電路示意圖。
圖8為本發(fā)明的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀在實(shí)施例中的鍵盤、顯示界面連接線路圖。
實(shí)施例下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)闡述。如圖1所示的結(jié)構(gòu)。和圖4所示的使用狀態(tài)。其中1)微波分系統(tǒng)12中·上面所說的調(diào)頻器1的頻率調(diào)制為三角波調(diào)制。本實(shí)施例中采用了調(diào)制頻率為2.5kHz，電壓范圍為7V～11V的三角波調(diào)制。
·所說的微波源2是發(fā)射線性調(diào)頻的連續(xù)波的壓控場(chǎng)效應(yīng)微波振蕩源。本實(shí)施例中采用調(diào)頻線性度為0.9％，中心頻率為9.5 GHz，調(diào)頻帶寬為0.6 GHz，輸出功率為40 mW的壓控場(chǎng)效應(yīng)微波振蕩源。
·所說的發(fā)射天線4是采用增益為21 dB，半功率角為3°的波導(dǎo)喇叭天線兼作發(fā)射和接收。
·所說的混頻/中放器5是微波混頻器。本實(shí)施例中采用噪聲系數(shù)≤5，變頻損耗為6.5 dB的微波混頻器產(chǎn)生包含目標(biāo)距離R信息的差頻fr信號(hào)。
·所說的同軸電纜6本實(shí)施例中采用25 m長(zhǎng)，衰減特征為0.2 dB/m的低損同軸電纜，用來連接微波分系統(tǒng)12和信號(hào)處理分系統(tǒng)13。
2)上述的信號(hào)處理分系統(tǒng)13中·所說的濾波器7是帶通濾波器，主要包含四路運(yùn)放器OP2∶A，OP2∶B(LM358)，OP3(LF357)和OP(LF356)的濾波電路如圖5所示。其帶通頻率為10 K～500 kHz，主要起抑制調(diào)頻器1帶來的調(diào)制頻率和混頻/中放器5輸出的高頻噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。
·所說的程控放大器8中含有4路放大器G1，G10，G100和G400，共4路放大倍數(shù)分別為0.33、3.3、33和132倍。通過由CPU處理電路9提供地址信號(hào)控制的單8通道多路轉(zhuǎn)換器/分離器U41 4051，根據(jù)信號(hào)的大小選擇4路信號(hào)中的一路，再通過轉(zhuǎn)換器U51和U3(LF156)轉(zhuǎn)換成滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器要求的信號(hào)。如圖6所示。
·所說的CPU處理電路9中的數(shù)據(jù)采集電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本實(shí)施例中采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器為CA3318，其采樣時(shí)鐘是由CZ晶振為主構(gòu)成的晶振電路，它由晶振的數(shù)值來保證信號(hào)的采樣速率。如圖7所示。
·所說的人機(jī)接口界面的鍵盤11和顯示器10通過接口芯片U8279同CPU處理電路9相連。如圖8所示。
按照上述的測(cè)量方法及具體測(cè)量步驟，具體的測(cè)量流程參見圖3，首先對(duì)CPU處理電路9的外圍芯片和所用參數(shù)進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行鍵盤判別程序，無鍵按下則執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)濾波，計(jì)算頻率得出差頻fr最后求得目標(biāo)距離R即料位，由顯示器10顯示所測(cè)料位值。
有鍵按下則首先判斷按下的鍵號(hào)，然后根據(jù)鍵號(hào)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序。如圖3所示的流程。
表2為用上述本發(fā)明的料位儀以及測(cè)量方法所獲得的測(cè)量結(jié)果，其測(cè)量精度高達(dá)1％。
表2用本發(fā)明的料位儀及其測(cè)量方法測(cè)得的目標(biāo)距離R與實(shí)際距離R的比較表<
采用本發(fā)明線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀及其測(cè)量方法經(jīng)過對(duì)料倉(cāng)中水泥的料位進(jìn)行測(cè)試，(如圖4所示)測(cè)試料位數(shù)百次，儀器工作正常，性能穩(wěn)定，與已有技術(shù)超聲波料位儀相比，克服了惡劣工業(yè)環(huán)境的影響，其測(cè)量精度高達(dá)1％。
權(quán)利要求
1.一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，包括微波分系統(tǒng)(12)和信號(hào)處理分系統(tǒng)(13)，其中微波分系統(tǒng)(12)含有連接到環(huán)形器(3)上的微波源(2)，環(huán)形器(3)連接有發(fā)射天線(4)；信號(hào)處理分系統(tǒng)(13)中含有連接有鍵盤(11)和顯示器(10)的CPU處理電路(9)，其特征在于微波分系統(tǒng)(12)中的微波源(2)帶有調(diào)頻器(1)，環(huán)形器(3)的輸出連接到混頻/中放器(5)上，混頻/中放器(5)通過同軸電纜(6)連接到信號(hào)處理分系統(tǒng)(13)中的濾波器(7)上，濾波器(7)的輸出經(jīng)過程控放大器(8)與CPU處理電路(9)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀的測(cè)量方法，其特征在于首先測(cè)量包含目標(biāo)距離R的目標(biāo)回波信號(hào)ERF和本振信號(hào)ELO，得出兩者之間的差頻fr，再根據(jù)目標(biāo)距離R與差頻fr的關(guān)系式求得目標(biāo)距離R，目標(biāo)距離R與差頻fr的關(guān)系式為fr＝(2R/C)(Δf/Δt)上式中，C是光速，Δt是調(diào)制周期，Δf是在Δt時(shí)間內(nèi)，調(diào)制頻率變化的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀的測(cè)量方法，其特征在于具體的測(cè)量步驟是<1>數(shù)據(jù)采集包括采集測(cè)得的包含目標(biāo)距離R的目標(biāo)回波信號(hào)ERF和本振信號(hào)ELO的數(shù)據(jù)；<2>數(shù)據(jù)濾波包括對(duì)數(shù)據(jù)的濾波和平滑處理；<3>得出差頻fr即計(jì)算出目標(biāo)回波信號(hào)ERF與本振信號(hào)ELO之間的差頻fr；<4>求得目標(biāo)距離R按關(guān)系式fr＝(2R/C)(Δf/Δt)求得目標(biāo)距離R后在顯示器(10)的屏幕上示出，即為料位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，其特征在于所說的微波源(2)是發(fā)射線性調(diào)頻的連續(xù)波的壓控場(chǎng)效應(yīng)微波振蕩源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，其特征在于所說的微波源(2)上帶有的調(diào)頻器(1)是三角波調(diào)制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，其特征在于所說的混頻/中放器(5)是微波混頻器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，其特征在于所說的濾波器(7)是帶通頻率為10K～500kHz的帶通濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)粒位儀，其特征在于所說的程控放大器(8)，含有4路放大器G1，G10，G100和G400，單8通道多路轉(zhuǎn)換器/分離器U41，以及轉(zhuǎn)換器U51和U3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀，其特征在于所說的CPU處理電路(9)中的數(shù)據(jù)采集電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣時(shí)鐘是由CZ晶振為主構(gòu)成的晶振電路。
全文摘要
一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)料位儀及其測(cè)量方法,其結(jié)構(gòu)上包括微波分系統(tǒng)和信號(hào)處理分系統(tǒng)。微波分系統(tǒng)含有帶調(diào)頻器的微波源,環(huán)形器,發(fā)射天線和混頻/中放器。信號(hào)處理分系統(tǒng)含有濾波器,程控放大器,CPU處理電路以及鍵盤和顯示器。測(cè)量方法是首先測(cè)量包含目標(biāo)距離R的目標(biāo)回波信號(hào)和本振信號(hào),得出差頻f
文檔編號(hào)G01F23/284GK1243243SQ9911379
公開日2000年2月2日 申請(qǐng)日期1999年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月18日
發(fā)明者沈?qū)W民, 吳平, 楊小康, 諸成, 柏玲仙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所